Недавние открытия, сделанные командой Массачусетского технологического института, показали, что внедрение новых материалов в существующие процессы производства бетона может значительно снизить этот углеродный след без изменения объемных механических свойств бетона.

Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Связь PNAS, в статье профессоров Массачусетского технологического института по гражданскому строительству и охране окружающей среды Адмира Масича и Франца-Йозефа Ульма, постдока Массачусетского технологического института Дамиана Стефанюка и докторанта Марцина Хайдучека, а также Джеймса Уивера из Института Висса Гарвардского университета.

После воды бетон является вторым по потреблению материалом в мире и представляет собой краеугольный камень современной инфраструктуры. Однако при его изготовлении выделяется большое количество углекислого газа, как в качестве химического побочного продукта производства цемента, так и в виде энергии, необходимой для подпитки этих реакций.

Примерно половина выбросов, связанных с производством бетона, происходит в результате сжигания ископаемого топлива, такого как нефть и природный газ, которые используются для разогрева смеси известняка и глины, которая в конечном итоге превращается в привычный серый порошок, известный как обычный портландцемент (OPC). В то время как энергия, необходимая для этого процесса нагрева, в конечном итоге может быть заменена электричеством, вырабатываемым из возобновляемых источников солнечной энергии или ветра, другая половина выбросов присуща самому материалу: когда минеральная смесь нагревается до температуры выше 1400 градусов по Цельсию (2552 градуса по Фаренгейту), она подвергается химическому превращению из кальция. карбонат и глину превращают в смесь клинкера (состоящего в основном из силикатов кальция) и углекислого газа, причем последний выделяется в воздух.

Когда OPC смешивается с водой, песком и гравийным материалом во время производства бетона, он становится высокощелочным, создавая, казалось бы, идеальную среду для поглощения и длительного хранения углекислого газа в виде карбонатных материалов (процесс, известный как карбонизация). Несмотря на способность бетона естественным образом поглощать углекислый газ из атмосферы, когда эти реакции обычно происходят, главным образом в отвержденном бетоне, они могут как ослабить материал, так и снизить внутреннюю щелочность, что ускоряет коррозию армирующей арматуры. Эти процессы в конечном счете разрушают несущую способность здания и негативно влияют на его долгосрочные механические характеристики. Таким образом, эти медленные реакции карбонизации на поздней стадии, которые могут протекать в течение десятилетий, уже давно признаны нежелательными путями, ускоряющими разрушение бетона.

"Проблема с этими реакциями карбонизации после отверждения, - говорит Масик, - заключается в том, что вы нарушаете структуру и химический состав цементирующей матрицы, которая очень эффективна в предотвращении коррозии стали, приводящей к деградации".

Напротив, новые пути поглощения углекислого газа, открытые авторами, основаны на очень раннем образовании карбонатов во время смешивания и заливки бетона, до того, как материал затвердеет, что может в значительной степени устранить вредные последствия поглощения углекислого газа после отверждения материала.

Ключом к новому процессу является добавление одного простого и недорогого ингредиента: бикарбоната натрия, иначе известного как пищевая сода. В лабораторных тестах с использованием замещения бикарбонатом натрия команда продемонстрировала, что до 15 процентов от общего количества углекислого газа, связанного с производством цемента, может быть минерализовано на этих ранних стадиях - этого достаточно, чтобы потенциально значительно уменьшить глобальный углеродный след материала.

"Все это очень интересно, - говорит Масик, - потому что наше исследование развивает концепцию многофункционального бетона, учитывая дополнительные преимущества минерализации углекислым газом во время производства и литья".

Кроме того, полученный бетон схватывается гораздо быстрее за счет образования ранее не описанной композитной фазы, не влияя на его механические характеристики. Таким образом, этот процесс позволяет строительной отрасли быть более производительной: опалубочные работы можно демонтировать раньше, сокращая время, необходимое для завершения строительства моста или здания.

Композит, представляющий собой смесь карбоната кальция и гидрата кремния кальция, "является совершенно новым материалом", - говорит Масик. "Кроме того, благодаря его формованию мы можем удвоить механические характеристики бетона на ранней стадии". Однако, добавляет он, это исследование все еще продолжается. "Хотя в настоящее время неясно, как образование этих новых фаз повлияет на долгосрочные эксплуатационные характеристики бетона, эти новые открытия указывают на оптимистичное будущее разработки углеродно-нейтральных строительных материалов".

Хотя идея карбонизации бетона на ранней стадии не нова, и есть несколько существующих компаний, которые в настоящее время изучают этот подход для облегчения поглощения диоксида углерода после того, как бетону придана желаемая форма, текущие открытия команды Массачусетского технологического института подчеркивают тот факт, что предварительная способность бетона поглощать диоксид углерода была значительно снижена. в значительной степени недооцененный и недостаточно используемый.

"Наше новое открытие можно было бы в дальнейшем объединить с другими недавними инновациями в разработке добавок для бетона с меньшим углеродным следом, чтобы обеспечить гораздо более экологичные и даже углеродно-отрицательные строительные материалы для застроенной среды, превратив бетон из проблемы в часть решения", - говорит Масич.

Исследование было поддержано Центром устойчивого развития бетона Массачусетского технологического института, который получил спонсорскую поддержку от Ассоциации портландцемента и Фонда исследований и образования бетона.